Capítulo 5 - FEUPcivil.fe.up.pt/pub/apoio/Mestr_Estr/NovosMateriais... · 2003. 3. 31. · 5.2 Planeamento de um Projecto de Reforç o dos seus sucessos e deficiências, em benefício

Capítulo 5 Planeamento de um Projecto de Reforço

A partir do trabalho de investigação sobre materiais compósitos na construção civil, em curso

no DECivil da FEUP desde 1996, neste Capítulo, propõe-se equacionar algumas acções de

recomendação de modo a prevenir, a atenuar ou a melhorar os pontos críticos esperados num reforço

com FRP. Simultaneamente, pretende-se implementar a confiança no uso de sistemas compósitos

pelos técnicos, através da enumeração de medidas de controlo e de segurança presentes no caderno

de encargos dum projecto de execução de reforço, pela técnica de colagem de armaduras de CFRP ao

betão. No conjunto, os principais aspectos em questão são sumariados ao nível da selecção do sistema

de CFRP, das recomendações para projecto, dos procedimentos para execução e do controlo e

garantia de qualidade da totalidade.

5.1 - INTRODUÇÃO

Embora a necessidade de reforçar e/ou reabilitar as estruturas de betão armado seja crescente

nestes últimos anos, ainda não se dispõe de experiência suficiente sobre o uso de materiais

compósitos de FRP (Polímeros Reforçados com Fibras), que permita fundamentar a definição de

disposições e regras de dimensionamento e de execução dos projectos de reforço. A informação

divulgada nas fichas técnicas dos fornecedores de sistemas compósitos de CFRP (Polímeros

Reforçados com Fibras de Carbono) não é suficiente, principalmente no que diz respeito ao seu

comportamento a longo prazo, à interpretação da aderência na junta de ligação, à prevenção de ruínas

prematuras sobretudo por efeito de “peeling” nas extremidades livres e à utilização de códigos e

normas de procedimentos, para os projectos e para a execução de estruturas.

Os critérios de dimensionamento e os procedimentos de construção de reforços com colagens

de sistemas de FRP são, actualmente, vagos e dispersos devido a factores como a novidade, a

diversidade de formas do produto, os múltiplos campos de aplicação e a divergência de opiniões

quanto aos seus objectivos. De um modo geral, os países sem documentações específicas sobre

compósitos de FRP têm adoptado os critérios estabelecidos para os reforços colados com armaduras

metálicas, recorrendo nos casos mais duvidosos, as conclusões e sugestões dos países mais avançados

nesta área. Nesse sentido, o principal motivo que norteia o trabalho desenvolvido no Departamento de

Engenharia Civil da FEUP é o de criar, entre investigadores, o espírito de divulgação e de discussão

5.2 Planeamento de um Projecto de Reforço

dos seus sucessos e deficiências, em benefício da integração efectiva e segura dos novos materiais de

FRP na construção. Como tal, discriminam-se a seguir os principais requisitos de planeamento de um

projecto de reforço e tecem-se algumas considerações sobre as ideias actuais de dimensionamento de

reforços com base em sistemas de FRP.

5.2 - PRINCIPAIS REQUISITOS DE UM PROJECTO

Os principais requisitos que podem contribuir para o planeamento de um projecto de reforço

resumem-se a quatro nívei (Juvandes et al, 2000): à selecção do sistema compósito de FRP, às

recomendações para dimensionamento e segurança, aos procedimentos para execução e ao controlo e

garantia de qualidade da totalidade do processo.

Como definição de critérios de dimensionamento e de procedimentos adicionais de verificação

de segurança, para projectos de reforço e/ou reabilitação de estruturas, são dignas de registo as

publicações como: Documentos de homologação do DIBt (Alemanha) para sistemas laminados pré-

fabricados de CFRP: Nr.Z-36.12-29 e Nr.Z-36.12-54 (1997); Documentos da série SIA (Suiça):

D0128 e D0144 (1997); Documentos sobre sistemas contínuos de FRP (Japão): JSCE e JCI TC 952

(1997); Documentos técnicos do ACI-Committee 440 (EUA): ACI 440R-96, ACI 440F e ACI 440H

(2000); Documentos do Fib: Fib Task Grup 9.3 - Bulletin 14 (2001). Em qualquer um dos sistemas de

reforço está implícita a necessidade eventual de melhorar a resistência à flexão, ao corte, à

compressão ou à tracção (Figuras 5.1).

Figura 5.1 - Formas gerais de reforços exteriores (Sika, 2000).

Reforço e Reabilitação de Estruturas – Módulo 2 5.3

5.2.1 - Selecção do sistema compósito de FRP

No caso geral, um sistema compósito de FRP, utilizado na técnica de colagem de armaduras de

reforço, é constituído por três componentes principais, ou seja, o compósito FRP propriamente dito, o

adesivo de ligação betão-FRP e as resinas de preparação da superfície do betão (primário, "putty").

Das várias fibras disponíveis no mercado, os sistemas reforçados com fibras de carbono CFRP

apresentam as características que melhor se ajustam aos compromissos exigidos pelo reforço de

estruturas de betão com a técnica de colagem.

5.2.1.1 - Forma

As principais formas comercializadas para os FRP podem ser classificadas em dois grandes

grupos, os sistemas pré-fabricados (“pre-cured system”) e os sistemas curados “in situ” (“wet lay-up

systems” e “prepreg systems”) e estes, ainda, em sistemas unidireccionais (1D), bidireccionais (2D) e

multidireccionais (3D) devido à disposição das fibras no compósito.

(i) - Sistemas pré-fabricados

Estes resultam da impregnação de um conjunto de feixes ou camadas contínuas de fibras por

uma resina termo endurecível, consolidadas por um processo de pultrusão com controlo da espessura

e da largura do compósito. A orientação unidireccional das fibras confere ao FRP a maximização da

resistência e da rigidez na direcção longitudinal. Tratam-se de produtos finalizados do tipo FRP, com

as características mecânicas e físicas garantidas pelos seus produtores, sendo o laminado a forma

comercial mais corrente (Figura 5.2). O agente adesivo (ou cola) é um material distinto do compósito

sendo, geralmente, do tipo epóxido.

Acabamento superficial

Matrizde

impregnação

Fibra contínua(em bruto)

Acabamento superficial

Figura 5.2 - Um sistema pré-fabricado de CFRP unidireccional - o laminado


(ii) - Sistemas curados "in situ"

Outro processo credível nas aplicações de colagem a elementos de betão consiste na aplicação

de feixes de fibras contínuas, com a forma de fios, mantas ou tecidos (Figura 5.3) em estado seco ou

pré-impregnado, sobre um adesivo epóxido previamente espalhado na superfície a reforçar. O adesivo

(resina de saturação) tem as funções de impregnar o grupo de fibras, proporcionar a polimerização do

conjunto num compósito de FRP e, por fim, desenvolver propriedades de aderência na ligação do

FRP ao material existente. Segundo o conceito de FRP, este sistema só o será fisicamente após a

execução do reforço, isto é, polimerizado ou endurecido “in situ. A sua correcta caracterização deve

reportar-se a ensaios de provetes executados nas condições de aplicação “in situ”.

Fio Manta Tecido

Figura 5.3 - Sistema de FRP curados "in situ".

5.2.1.2 - Propriedades

Um sistema deve apresentar soluções em face das exigências de um projecto de reforço

específico, sobretudo, informação sobre o comportamento esperado para os materiais a curto e longo

prazo.

Os valores característicos (valores garantidos) das propriedades de um sistema FRP são em

geral fornecidos pelo fabricante, sendo baseados em testes à tracção de vários provetes (normas ISO e

ASTM). Estes valores devem ser considerados como uma referência inicial porque não contabilizam

a exposição ambiental do material a longo prazo. O valor médio da resistência à tracção e da

deformação de rotura deve ser reduzido de três vezes o desvio padrão (∆), para ter em conta a

dispersão dos resultados. O módulo de Young deve ser calculado para um valor da tensão

correspondente a uma deformação característica de 5.0 o/oo (Equação 5.1)

005.0/E ; 3 ; 3ff 005.0LkLumLukLumLuk σ=∆−ε=ε∆−= [Eq-5.1]


O valor de cálculo das propriedades à tracção de um sistema FRP é obtido afectando os valores

característicos dos efeitos de redução devido à intervenção da durabilidade (exposição ambiental), da

história de carga e do tipo de aplicação (flexão, corte, etc.). Factores de redução indicativos estão

especificados na Tabela 5.1. Estes factores de redução aplicam-se apenas à tensão e à deformação

última e não ao módulo de elasticidade.

LudLudLLukELudLukELud /fE ; C ; fCf ε=ε=ε= [Eq-5.2]

Tabela 5.1 - Factores de redução CE função das condições de exposição propostos pelo ACI (2000).

Condições de exposição Tipo de sistema de FRP Valor indicativo do factor CE

Carbono 0.95

Vidro-E 0.75 Interior

Aramida 0.85

Carbono 0.85

Vidro-E 0.65 Exterior

(pontes, parques exteriores de estacionamento, etc) Aramida 0.75

Carbono 0.85

Vidro-E 0.50 Ambientes agressivos

(zonas químicas, tratamentos de águas, etc) Aramida 0.70

Os materais compósitos quando sujeitos a uma tensão elevada que se mantenha por um

determinado período de tempo podem romper subitamente. É a chamada rotura por fluência, à qual as

fibras de vidro são muito sensíveis e as de carbono relativamente imunes. Os compósitos reforçados

com fibras, devido às propriedades viscoelásticas do material (polímeros termoendurecíveis), podem

apresentar diferentes comportamentos à fluência e à relaxação quando sujeitos a acções constantes no

tempo. Desse modo, num projecto, é fundamental definir critérios de correcção e limitação de

determinados parâmetros, afectos a esses comportamentos dos materiais, de modo a traduzirem a

deformação e a tensão esperadas no compósito, ao longo do tempo. Como exemplo, para os primeiros

salienta-se a redução do módulo de elasticidade e da resistência à tracção e, para os segundos,

menciona-se a limitação da deformação e da tensão aplicada e o controlo da temperatura ambiente.


O tipo de solicitação, natureza estática, dinâmica ou sistema cíclico, pode intervir nas

propriedades dos compósitos, podendo estes romper subitamente devido à fadiga. Referira-se que as

propriedades à fadiga de um material compósito são bastante boas quando as solicitações actuam na

direcção das fibras, mas insuficientes para carregamentos transversais ou de corte.

Quando se projecta um reforço com FRP, os níveis de tensão última de cálculo devem ser

mantidos abaixo do limite de rotura por fluência e do limite máximo de tensão recomendado para as

acções cíclicas (fadiga). Para estruturas nestas condições, o ACI (2000) propõe que a tensão no

compósito seja limitada pelos máximos de 20%, 30% e 55% da resistência fLud para os sistemas com

fibras de vidro GFRP, aramida AFRP e carbono CFRP, respectivamente.

Especial atenção deve ser dado ao efeito negativo da acção de temperaturas elevadas nos

polímeros (resinas e adesivos) e nos compósitos de FRP, principalmente, em relação aos primeiros. A

aproximação da temperatura para o nível do valor da temperatura de transição vítrea (Tg), do

adesivo ou do FRP, torna a componente polimérica muito macia e as principais propriedades

mecânicas, como a resistência e a rigidez, diminuem acentuadamente. Todas as formulações

poliméricas são, também, susceptíveis de absorver humidade. Em geral, isto resulta numa redução do

valor da temperatura de transição vítrea e das suas propriedades mecânicas (ver Capítulos 2 e 3).

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

20 30 40 50 60 70 80

Mód

ulo

E’ (M

Pa)

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

δ

Tan

T (ºC)

E' (1)E'

tan (1)δ

Tg (1)

Tg (2)Tc (1)

10ºC

Húmido

Aumento do teorde humidade

Seco

Região de transição

Estado plástico

Temperatura

Rigí

dez

Estado vítreo

a) Efeito da temperatura. b) Efeitos higrotérmicos.

Figura 5.4 - Efeitos higrotérmicos no comportamento de uma resina (ensaio DMTA).

Estes efeitos estão representados nas Figuras 5.4-a e 5.4-b, através das curvas típicas de

variação do módulo de elasticidade E' e do desenvolvimento do coeficiente de perda tang δ = E''/E'

com a temperatura. O EUROCOMP (1996) recomenda a fixação de um valor inferior ao Tg, reduzido

de 10ºC a 20ºC, para o limite superior da amplitude térmica esperada numa aplicação normal na

construção [TC ≈ Tg-10oC (a 20oC)]. Esta temperatura limite Tc depende do tipo de resina e o seu

valor efectivo tende a aumentar, no caso dos compósitos de CFRP, devido à presença das fibras. Em


termos globais, os compósitos são mais duráveis no tempo do que os materiais tradicionais,

salientando-se a melhor resistência global registada pela família dos compósitos de CFRP.

O comportamento ao fogo do sistema compósitos colados deve ser analisado segundo três

níveis, ou seja, o efeito das elevadas temperaturas próximas ou superiores à temperatura Tg, o efeito

da combustividade dos materiais e o efeito da toxicidade e desenvolvimento de fumos. Sob o ponto

de vista da resistência, o efeito da temperatura e o seu tempo de permanência constituem factores

deveras preocupantes. Normalmente, a literatura internacional recomenda que, nos casos de

exposição directa ao fogo, não se deva executar reforços com sistemas de CFRP, a menos que se

apliquem procedimentos adicionais de prevenção (ver Figura 5.5 no item 5.2.2.1). Estes

procedimentos devem ser estudados em conformidade com as informações dos fornecedores dos

sistemas (compósitos de CFRP e colas) e de acordo com as exigências estabelecidas no projecto

(Regulamento de Segurança contra Incêndios, Eurocódigo 2).

5.2.2 - Conceitos de dimensionamento e segurança

5.2.2.1 - Aspectos gerais

(i) - Filosofia de cálculo

O dimensionamento de elementos estruturais de betão reforçados por colagem externa de

sistemas de FRP deve ser baseado na filosofia dos estados limites, de acordo com a regulamentação

portuguesa e europeia para estruturas novas (Eurocódigo 1 e Eurocódigo 2). Esta metodologia define

níveis de segurança aceitáveis em relação à ocorrência, quer de estados limites de utilização (ELS -

deformação e fendilhação), quer de estados limites últimos (ELU - rotura e fadiga). Na verificação da

resistência última do elemento, todos os possíveis modos de rotura devem ser analisados. Por

exemplo, a contribuição do sistema compósito no reforço à flexão de uma secção deve manter a

ductilidade, assegurando que a capacidade resistente ao esforço transverso não controle a rotura.

A área da secção transversal do compósito necessária para o reforço deve ser determinada com

base na força de tracção requerida e nas tensões de cálculo. As tensões de cálculo do material são

muitas vezes determinadas pela lei de Hooke e com imposição de um valor limite para as

deformações. Este valor limite da deformação, designado por deformação última efectiva, depende

essencialmente da eficiência da ligação colada e da compatibilidade da deformação do compósito e da

base (betão).

A experiência internacional recomenda a aplicação de factores adicionais de redução na

contribuição de um reforço com sistemas de FRP, no sentido de reflectir o conhecimento parcial do


comportamento das estruturas reforçadas a longo prazo. Como geralmente o reforço envolve

estruturas existentes, com algum grau de incerteza nas propriedades dos materiais ou no estado de

deterioração das suas superfícies, também aqui se recomenda a aplicação de factores de redução nas

propriedades destes, mais conservativos do que nas edificações de estruturas novas (Monteiro, 1999).

No dimensionamento de sistemas de FRP para a reabilitação de estruturas ao sismo, pode ser

apropriado o uso do método “Capacity Design” porque se admite que a estrutura deve desenvolver a

sua capacidade elástica total, desde que se garanta a resistência ao corte dos elementos estruturais.

No projecto de reforço admite-se os princípios básicos seguintes:

i) é válido o princípio da perfeita compatibilidade de deformações entre os materiais;

ii) verifica-se o princípio de Navier-Bernoulli; iii) em qualquer instante, é satisfeito o princípio do equilíbrio entre forças na secção.

Assumindo estes princípios, considerando o estado inicial de tensão e deformação do elemento

no acto do reforço e o conhecimento das leis constitutivas dos materiais e dos critérios de cedência, é

possível prever o comportamento de uma estrutura reforçada. Complementarmente, deve ter-se em

consideração alguns critérios especiais de verificação de segurança para a zona da junta de colagem.

(ii) Critérios de segurança

Comparado com o processo de dimensionamento de estruturas novas, o cálculo do reforço de

estruturas existentes através da técnica de colagem de armaduras exteriores deve incluir, para além

dos critérios definidos no ponto anterior (i), considerações especiais de verificação de segurança que

traduzam as condições "in situ" do projecto de reforço. Estes podem influenciar o dimensionamento e

o processo de execução do reforço, de modo a garantir a segurança global da estrutura.

a) Condição de reforço máximo – Geralmente, exige-se que a estrutura, com a ruína do reforço,

possa suportar a combinação de acções estabelecida nesta situação, isto é, resista às acções

permanentes e a uma percentagem das acções variáveis. Por isso, recomenda-se que o reforço

posterior de estruturas existentes não exceda mais de 50% da sua resistência actual e que, no caso da

ruína acidental do reforço, a estrutura remanescente tenha uma segurança residual superior ou igual

a 1.0 para se evitar o colapso geral.

b) Condição imposta pela capacidade global da estrutura – É importante garantir que o

comportamento global de uma estrutura resista ao acréscimo de acções contempladas no projecto de

reforço de elementos discretos desta.


c) Tolerância ao fogo – No caso de compósitos inseridos em elementos de betão, a estrutura

tem um comportamento de risco reduzido, semelhante ao exigido para as estruturas de betão armado

e pré-esforçado em situações de incêndio. Na hipótese de exposição directa refiram-se duas situações

possíveis em termos de critérios de segurança. Em qualquer dos casos, as consequências de perda do

reforço devem ser interpretadas como uma situação de risco possível, garantindo-se o coeficiente de

segurança residual de pelo menos 1 proposto no ponto (a):

• Reforços sem protecção ao fogo - o critério de resistência é o da estrutura não reforçada,

aplicando-se os princípios definidos no Eurocódigo 2;

• Reforços com protecção ao fogo - deve determinar-se a envolvente térmica e estudar-se as

implicações mecânicas nos materiais. O critério baseia-se em limitar a temperatura no adesivo

(T < TC < Tg) durante um certo tempo (tolerância) (Figura 5.5).

Figura 5.5 - Procedimentos adicionais de prevenção ao fogo (Sika e S&P).

c) Restrições para reforços ao sismo – Como é deficiente a informação actual sobre o

comportamento de estruturas reforçadas às acções sísmicas, o ACI (2000) recomenda algumas

restrições ao uso dos FRP no reforço ao corte e à flexão de estruturas sob condições sísmicas.

Revestimento directopara proteção ao fogo

Elemento de betãoPintura retardadora


5.2.2.2 - Reforço à flexão

(i) Critérios de cálculo

Admitindo-se uma aderência perfeita entre os materiais, espera-se um diagrama de

momento vs curvatura com a forma ilustrada na Figura 5.6, evidenciando três estados (I, II, III)

principais de comportamento (betão não fendilhado, betão fendilhado mais comportamento elástico

do aço e último compreende o início de plastificação da armadura até à rotura) e pressupondo que o

colapso da estrutura ocorre por ruína do compósito, após cedência da armadura de aço ou por

esgotamento da extensão no diagrama do aço.

No cálculo da resistência à flexão de uma secção reforçada devem ser consideradas as hipóteses

usuais de cálculo de secções de betão armado ou pré-esforçado flectidas, admitindo para o sistema

FRP um comportamento linear até à ruína, sem reserva plástica de deformação (Figura 5.7).

betão

M

Ced

ênci

a do

Aço

Mom

ento

Rot

ura

do C

FRP

EstadoI

fendilhado

Curvatura

EstadoII

EstadoIII

Xu

My

Mf

Mu

My

Mf

- colapso

- cedência da armadura

- início de fendilhação

betão

w

adesivoCFRP

0.6 – 0.8% problemas de aderênciainterna entre aço e betãodevido a deformação plástica

1.4 –1.6% Rotura do laminado

1.3 % Destacamento do laminado(Rotura da estrutura)

Aço

ε 0.6 – 0.8 1.3 1.4 –1.6

σ

%

CFRP

0.6 – 0.8% problemas de aderênciainterna entre aço e betãodevido a deformação plástica



Aço

ε 0.6 – 0.8 1.3 1.4 –1.6

σ

%

CFRP



Aço

ε 0.6 – 0.8 1.3 1.4 –1.6

σ

%

CFRP

Figura 5.6 - Diagrama de momento vs curvatura de uma estrutura de betão reforçada exteriormente FRP.

Figura 5.7 – Diagrama de tensão vs extensão do compósito de CFRP (S&P).

Estado Limite Último (ELU)

O cálculo deve reportar-se aos vários modos de ruína observados nos trabalhos de investigação

publicados até hoje, podendo sintetizar-se em três grupos (Juvandes, 1999):

1) as ruínas clássicas das estruturas de betão armado ou pré-esforçado;

2) a ruína dos novos materiais que são adicionados (coesiva no adesivo e tracção no CFRP);

3) as ruínas de cedência da ligação na interface betão-adesivo-CFRP (Figura 5.8).

Sob o ponto de vista de cálculo ao ELU, convém excluir alguns dos modos de ruína frágeis

como o caso do corte, da torção e das ruínas prematuras. Pela mesma razão, é necessário garantir que


o aço da armadura interna do elemento tenha suficiente patamar de cedência (Eurocódigo 2), para

garantir ductilidade à estrutura antes do seu colapso.

CFRP

Figura 5.8 - Resumo dos modos de ruína prematuros (Juvandes, 1999).

Deste modo, o cálculo ao ELU pode ser estabelecido impondo para a secção crítica

(Equação 5.3 e Figura 5.9):

( ) ( )x4.0hfAx4.0dfAM

MM

LudLLssRd

RdSd

−γ+−=

≤ [Eq-5.3]

fL fLfL fL

Figura 5.9 - Tensões e extensões na secção crítica em ELU.

Na Equação 5.3 é proposto um factor de redução γL, para a contribuição da resistência à flexão

do reforço com FRP, recomendando-se para este um valor médio de 0.85 (ACI, 2000).


CASO 1 - Admite-se ligação perfeita entre os materiais e estabelece-se como modos de ruína

desejáveis para a secção crítica à flexão os que, após cedência da armadura de aço,

ocorram por: 1) esmagamento à compressão do betão (εcu = 3.5 o/oo); 2) ruína à

tracção do compósito de CFRP (εL = εLd); 3) efeito simultâneo dos dois anteriores

(ideal).

CASO 2 - Admite-se os modos de ruína prematuros como principais. Apesar de não ser

recomendável, este caso aplica-se às situações em que, a nível de projecto de reforço,

há limitação na implementação de alguns critérios de prevenção de ruínas, por

destacamento do CFRP na interface (ex. aspectos económicos e geométricos). Esses

modos estão relacionados com a integridade e resistência do substrato de betão, com

o nível de deformação no compósito e com a concentração de tensões desenvolvidas

na extremidade da colagem e junto às fendas de flexão e corte. Para prever estes

modos frágeis de ruína do elemento reforçado, é necessário desenvolver novos

modelos de cálculo para o apoio ao projecto. Como o modo de ruína pode ocorrer em

vários locais da interface betão-adesivo-CFRP (Figura 5.7), é indispensável recorrer a

verificações suplementares de segurança a estudar.

Para aceitar estes dois CASOS e garantir um grau de ductilidade suficiente (curvatura da

secção), recomenda-se que seja verificada a deformação na armadura para o estado limite (rotura)

correspondente, quer à rotura da interface, quer à rotura do sistema FRP. Pode considerar-se que será

atingido um grau adequado de ductilidade se a deformação na armadura correspondente à rotura for

pelo menos εs ≥ 5 o/oo (ACI, 2000).

Estado Limite de Utilização (ELS)

A verificação aos ELS reflecte o bom desempenho em serviço da estrutura reforçada, sendo em

algumas circunstâncias, mais condicionante que o ELU. Neste caso, o valor do módulo de

elasticidade dos compósitos é fundamental para introduzir a condição de rigidez desejada pelo critério

de serviço para a estrutura. Os principais critérios de prevenção a estabelecer no ELS são do tipo:

1) limitação das tensões nos materiais para condicionar a fluência no betão, no FRP e atrasar o

início de plastificação das armaduras de aço;

2) limitação da deformação do compósito para controlar as tensões de aderência na interface

betão-adesivo-CFRP, em particular, nas zonas de formação de fendas (ver Figura 5.7);


3) limitação da largura de fendas no betão de modo a proteger a armadura interna e a reduzir o

risco de destacamento precoce do CFRP;

4) limitação na formação das fendas de corte, na medida em que são as principais responsáveis

pela degradação da resistência de uma junta.

A eficácia do desempenho em serviço de uma estrutura pode ser melhorada se se aplicar um

sistema compósito pré-esforçado. A tensão de pré-esforço no compósito alivia o esforço na armadura

de aço no interior do betão e reduz a flecha e a largura de fendas (Figura 5.10).

Figura 5.10 – Laminados de CFRP pré-esforçados (Sika, 2000).

O efeito do reforço de FRP na verificação dos estados limites de utilização (abertura de fendas e

flechas) pode ser avaliado usando uma área de FRP transformada em aço por meio do coeficiente de

homogeneização (α=EL/Es).

(ii) Critérios de segurança adicionais

Como está em causa sobretudo o reforço ou a reabilitação de estruturas existentes, mais

problemáticas do que as estruturas novas, de um modo geral, os critérios de segurança reportam-se às

condições de interacção betão-adesivo-CFRP na junta de colagem e às condições especiais em


circunstâncias como o fogo, o vandalismo, os agentes agressivos do ambiente, as acções cíclicas, etc.

Em qualquer caso, as consequências da perda do reforço devem ser sempre encaradas como uma

situação de risco possível, recomendando-se os critérios de segurança do item 5.2.2.1. A prevenção

face à possível intervenção “in situ” de agentes do ambiente (Figura 5.11) conduz ao estabelecimento

de coeficientes de redução das propriedades dos materiais descritos no item 5.2.1.2.

Figura 5.11 – Exposição a ciclos higrotérmicos (Sika, 2000).

A análise dos principais condicionantes da ligação colada betão-adesivo-CFRP pode resumir-se

à verificação dos aspectos descritos a seguir.

CFRP

chapa de aço

F

F

extensómetros

Corte

P P

L1

CFRP

betão

Adesivo

betão

L1

Flexão

Arrancamento

Figura 5.12 - Ensaios de aderência.

a) Aderência da ligação - A resistência de uma ligação colada é ditada pelo valor máximo da

aderência entre os materiais envolvidos na ligação. Na interface betão-adesivo-compósito e

atendendo aos modos de ruína teoricamente possíveis, o problema surge ao nível da comparação dos

valores das resistências ao corte e à tracção na camada superficial do betão, da resistência coesiva do


adesivo e da resistência interlaminar do compósito. Dos três casos, o condicionante será o que

apresentar menor valor, adiantando-se que nos casos correntes observados o betão tem sido o

principal responsável. A melhor forma para determinar a resistência à aderência é recorrer a modelos

de aderência experimentais ilustrados na Figura 5.12 do tipo ensaios de corte, ensaios de flexão ou

ensaios de arrancamento (tracção, torção) (Juvandes, 1999). Segundo a literatura internacional tem-

se a informação de que a resistência à aderência com o betão (ensaios de arrancamento por tracção ou

“pull-off”) é aceitável para valores médios iguais ou superiores a 1.5 MPa, admitindo-se no

máximo 3 MPa para efeitos de dimensionamento, no caso daquela ser superior.

b) Controlo de fendilhação e das tensões de corte - As previsões teóricas para a evolução dos

esforços (tracção, corte) na interface são aproximações da realidade porque, geralmente, não

contemplam os mecanismos pontuais na interface que ditam o estado limite último das estruturas

reforçadas. O controlo desses mecanismos depende da integridade da interface, isto é, da

compatibilidade entre a distribuição das tensões rasantes e a resistência ao corte do betão adjacente à

interface. Para prevenir o destacamento do laminado do betão junto às fendas e para evitar que o aço

plastifique em serviço, em pré-dimensionamento recomenda-se limitar a extensão máxima no

compósito εLud (ver Figura 5.7) para o menor valor sugerido na homologação (1997):

2/

5

LukLud

syLud

ε≤ε

ε≤ε [Eq-5.4]

c) Zona de ancoragem - Na perspectiva de vários autores (Costeira, 1999), existe uma força

máxima de tracção no CFRP que provoca a ruína da ligação (FL ≤ Tu,max), valor esse transferido para o

betão segundo um comprimento efectivo de colagem da interface betão-adesivo-reforço ( max,tl ).

Um critério de cedência possível para a amarração das extremidades dos CFRP (sem fixações

exteriores adicionais) é baseado nas regras propostas pelo IBMB (1997). Caso não se domine o

mecanismo de ancoragem, deve optar-se por adição de sistemas exteriores de fixação das

extremidades do compósito. Quanto à extensão e localização, a proposta é que, além da zona de

ancoragem, os mecanismos de fixação exterior devem estender-se ao longo do comprimento da junta

de colagem. Quanto à forma, realçam-se os sistemas metálicos "standard" e alguns sistemas de

material compósito em fase embrionária (mantas ou tecidos de GFRP/CFRP, laminados pré-

fabricados de CFRP em "L") (Figura 5.13).

A adição de sistemas de fixação dos laminados traccionados criam forças de compressão

transversais à ligação com efeitos benéficos, frente aos mecanismos de delaminação e de "peeling",

que se vão formando na interface durante a solicitação da estrutura (Figura 5.14).


CFRP

Vigas em “T”

As

As’

CFRP

A nco rag em do sestribos na zonacomprimida do betão

As

As’

Chapas em “L”de aço S235

Reforço com Chapas Metálicas S235 (DIN EN 10025-1)

ESTRIBOS EXTERIORES ANCORADASESTRIBOS EXTERIORES

Chapas metálicas “L” propostas pelo DIBt (Nr. Z-36.12-29)

Zona de ancoragem

Zona da curva

Zona da curva

Zona deancoragem

Laminado em "L" de CFRP (Meier, 1998)

+

90º

0º

Presilhas executadas com manta de CFRP (FEUP,2001)

Fixação com chapas metálicas aparafusadas (S&P, 2000; Poulsen et al, 2001)

Figura 5.13 – Sistemas de fixação das extremidades do compósito.


5.2.2.3 - Reforço ao corte

Os sistemas de FRP com as fibras orientadas transversalmente ao eixo da peça ou segundo a

normal às potenciais fendas de corte são eficientes para o reforço adicional da capacidade resistente

ao esforço transverso. Este reforço ao corte, que é muitas vezes necessário para aumentar a

ductilidade à flexão, pode ser colocado de forma contínua ao longo da peça (viga ou pilar) ou em

faixas com espaçamento limitado (ver espaçamento dos estribos nos documentos referidos no início

do item 5.2) (Figura 5.14).

Estribos laminados

F

F

Figura 5.14 - Esquemas de reforço ao corte e mecanismos de fixação (manta e laminado)

A resistência ao corte fornecida pelo sistema FRP pode ser determinada calculando a força de

tracção instalada no compósito. No cálculo desta força em estado limite último, a deformação no

sistema FRP deve ser limitada a εl ≤ 4%o (ACI, 2000) para conservar a interacção entre os bordos

rugosos da fenda de corte (aggregate interlock) e reduzir as flechas. Se o reforço de FRP não abraça

completamente toda a secção (cinta) deve, então, existir uma área de aderência, para além da

potencial fenda, suficiente para desenvolver as tensões de tracção através da fenda. A capacidade

resistente da secção ao esforço transverso corresponde à soma das resistências atribuídas ao betão e

armadura convencional e da contribuição do reforço de FRP. Contudo, aquela deve ser sempre

limitada pela resistência correspondente ao esmagamento das escoras de betão da alma.


5.2.2.4 - Reforço à compressão e aumento de ductilidade

Pilares circulares ou rectangulares podem ser reforçados de forma a aumentar a sua capacidade

resistente à flexão, corte e esforço axial, e a sua ductilidade (Figura 5.15). Os sistemas de FRP

constituem uma técnica eficiente de reabilitação e reforço de pilares sujeitos à acção dos sismos. A

capacidade resistente à compressão e a ductilidade podem ser aumentadas por confinamento do betão

através do envolvimento de um sistema de FRP curado “in situ”. O confinamento resulta num

aumento da resistência e da deformação axial do betão, podendo estes valores serem quantificados

com base na tensão de confiamento exercida pelo sistema compósito.

Figura 5.15 - Reforços tipo mais comuns à compressão e ao aumento de ductilidade.

5.2.3 - Procedimentos para a execução do reforço

Na opinião de Taerwe et al. (1999) as principais tarefas da aplicação de cada um destes

sistemas de reforço estão sumariadas na Figura 5.16.

Contudo, o objectivo desta secção é expor os critérios (especificações e requisitos) definidos

nos procedimentos das três etapas de aplicação do reforço, de modo a implementar a confiança no uso

Ductibilidade


dos compósitos de FRP e instituir garantia de qualidade do reforço final. Estes critérios dependem do

tipo de sistema de reforço usado e das condições locais do projecto de reforço.

PREPARAÇÃO DA SUPERFÍCIE

Betão

Remoção da leitada superficial do betão, regularização da superfície, arredondamento de arestas

Controlo de qualidade: resistência, irregularidades, fendas e corrossão … reparar se necessário

Betão deve apresentar-se seco e isento de poeiras

CFRP

Limpar e cortar o CFRP, verificando a existência de irregularidades

COLAGEM DO CFRP

Sistema pré-fabricado: O laminado

Aplicação do adesivo na superfície de betão a reforçar

Aplicação do adesivo no CFRP

Colagem do CFRP, comprimindo-o ao betão e retirando o adesivo em excesso

Sistema curado “in situ”: A manta

Aplicação do primário e do putty (opcional)

Aplicação da resina

Aplicação do CFRP

Aplicação da resina (impregnação do CFRP)

CONTROLO DE QUALIDADE (ANTES, DURANTE E APÓS A APLICAÇÃO)

Nos materiais utilizados (testes normalizados)

Nas condições de aplicação (condições ambientais)

Durante a aplicação (direcção das fibras, qualidade da colagem e existência de vazios)

ACABAMENTO (OPCIONAL)

Pintura, betão projectado, … (estética, protecção ao fogo, ...)

Figura 5.16 - Aplicação do reforço com sistemas compósitos de CFRP (Taerwe et al., 1999).

5.2.3.1 - Inspecção do betão e preparação da superfície

O controlo da rugosidade, da humidade, da temperatura, do padrão de fendilhação e da

deterioração da camada superficial do betão a reforçar origina um critério para o despiste das ruínas,

por falta de aderência no contacto betão-adesivo (Figura 5.17).


INSPECÇÃO DA SUPERFÍCIE . Inspeccionar as condições da superfície. . Verificar as condições ambientais. . Registar as inspecções em relatórios diários. . Não prosseguir com a aplicação se se verificar alguma das

seguintes condições: Poros da superfíciecheios de água Potencial fuga de água

< 5 Co

Figura 5.17 – Alguns procedimentos de inspecção da superfície (MBrace, 1999).

Nos sistemas laminados pré-fabricados, recomenda-se a limpeza do betão com a passagem de

jacto de areia e nos sistemas de mantas flexíveis curadas "in situ" o polimento com um esmeril, de

modo a obter-se uma superfície lisa com exposição dos inertes. Neste, melhora-se a adesividade entre

a resina de saturação e o betão, com o espalhamento obrigatório de um primário. Em qualquer dos

dois sistemas, devem corrigir-se as irregularidades pontuais da superfície do betão, com o

revestimento à espátula de uma argamassa de resina epóxida ("putty”). As superfícies com

concavidades devem ser, igualmente, evitadas ou corrigidas, visto serem zonas propícias ao

destacamento prematuro do FRP (consultar o Capítulo 4).

5.2.3.2 - Avaliação da aderência ao betão

Os ensaios de arrancamento por tracção ou "pull-off" são admitidos na avaliação da aderência

da ligação entre materiais compósitos e superfícies de betão (item 5.2.2.2), mas sempre com o

princípio comum de que se analisam características superficiais (prEN 1542). Nestes termos, a tensão

de aderência ao betão no ensaio de arrancamento por tracção é aceitável para valores médios de

tensão de tracção fctm,p ≥ 1.4 - 1.5 MPa. Caso contrário, não é conveniente efectuar o reforço exterior

com colagem.

Para efeitos de estabelecimento de uma lei constitutiva da interface betão-adesivo-FRP,

constata-se que o uso adicional do ensaio de arrancamento por torção ou "torque-test" e o recurso a

critérios do tipo Mohr-Coulomb, possibilite trabalhar os resultados dos dois ensaios, com o objectivo

de ajustar uma lei de cedência para a junta (Figura 5.18).


Figura 5.18 - Ensaios de aderência “in situ” e lei de cedência para a junta.

5.2.3.3 - Aplicação da armadura de reforço

Os procedimentos estabelecidos nas especificações técnicas dos fornecedores devem ser

rigorosamente cumpridos para evitar deficiências na aderência ou na polimerização do compósito. No

sistema curado “in situ”, apesar de permitir a adição de várias camadas de mantas com fibras

unidireccionais, não são reconhecidas vantagens significativas a partir de dez camadas coladas

sucessivamente (JCI TC952, 1997).

Figura 5.19 – Aplicação de laminados e tecidos de FRP (S&P).

5.2.4 - Controlo e garantia de qualidade

A garantia do êxito de um reforço com a técnica de colagem, passa por integrar verificações de

conformidade a quatro níveis importantes, que se enquadram nos procedimentos de controlo e

garantia de qualidade deste método. Essas conformidades incidem sobre as fases anterior, durante e

posterior à execução de um reforço.


5.2.4.1 - Certificação dos materiais de reforço

A selecção dum sistema deve incidir sobre produtos comerciais credíveis, devidamente

calculados, detalhados e executados. Deve evitar-se sistemas de qualidade insuficientes, a nível da

constituição dos materiais, do sistema e da execução, que comprometam a segurança, exigindo-se,

sempre que possível, a satisfação das especificações de controlo de qualidade destes (documento de

homologação). Estes aspectos devem incidir sobre todos os constituintes do sistema de FRP. Os

produtos devem vir, também, acompanhados de informação sobre a embalagem, transporte e

armazenamento.

5.2.4.2 - Qualificação das empresas

A técnica de colagem, incluindo possíveis técnicas de reparação prévia da superfície, convém

ser executada por técnicos qualificados e com experiência. Além disso, deve exigir-se o uso de

equipamentos adequados de protecção e execução das tarefas de reforço.

5.2.4.3 - Controlo de procedimentos de aplicação

Este item integra quatro pontos executáveis durante os passos de aplicação do reforço e cujos

procedimentos devem cumprir critérios / ensaios normalizados (Juvandes et al., 1996-a).

(i) Inspecção das condições locais

O controlo das especificações e dos requisitos descritos para as tarefas 5.2.3.1 e 5.2.3.2, origina

um critério para o despiste das ruínas por descolamento na superfície de contacto betão-adesivo.

(ii) Inspecção do primário e do adesivo

O controlo do tipo, da espessura, do estado de cura e das deficiências de espalhamento do

sistema adesivo é importante, para estabelecer-se quais as características da junta de ligação (adesão e

coesão). Durante a confecção e espalhamento do adesivo ou do primário e suas posterioes

identificações, é imperativo registar-se por cada mistura realizada, a data, as proporções de

combinação, as condições higrotérmicas do ambiente e da superfície e outros factores que possam

afectar o estado de cura. Dessa mistura, devem constituir-se provetes, a curar "in situ", e ensaiados

em seguida, para controlo da caracterização do adesivo (Figura 5.20).


Figura 5.20 – Controlo do adesivo e construção de provetes.

(iii) Inspecção do compósito de CFRP

A nível de projecto, é fundamental o conhecimento completo das propriedades do material

compósito, antes e depois de aplicado, na execução de um reforço estrutural. Assim se compreende a

compatibilidade que existe entre as fases de projecto e de desempenho real da estrutura. A alteração

das propriedades do material (entre o previsto e o medido), após a sua aplicação, pode implicar a

incompatibilidade das duas fases, suscitando alguma desconfiança no comportamento esperado para a

estrutura. Este aspecto é, sobretudo, crucial nos sistemas de FRP curados "in situ". É necessário

realizarem-se ensaios com protótipos próximos das condições finais pretendidas, mas com algumas

reservas que serão salvaguardas pelos coeficientes de segurança (Figura 5.21).

Figura 5.21 Ensaios de provetes de CFRP moldados “in situ” (INEGI).

(iv) Inspecção do estado de colagem

Após a colagem da armadura adicional de material compósito, deve ser empreendida a detecção

de anomalias, recorrendo a um método de inspecção que seja capaz de registar destacamentos, vazios


ou delaminações. Geralmente, estes métodos são do tipo análise acústica simples (suaves pancadas

sobre o FRP), ultrasons e métodos termográficos.

Teste acústico

Teste de aderência

Figura 5.22 – Inspecção do estado de colagem.

5.2.4.4 - Inspecção em serviço e manutenção

O caderno de encargos deve estabelecer um manual com os procedimentos para observação e

manutenção das estruturas reforçadas. Nesse sentido, sugere-se que a inspecção incida sobre as

acções seguintes:

1) ensaios de carga na fase inicial de serviço;

2) monitorização e observação periódica da obra com vista a verificar a resistência à aderência,

o estado do compósito, a interferência dos agentes ambientais na interface, etc.

Figura 5.23 – Monitorização do sistema de reforço.


5.2.5 - Nota conclusiva

Como conclusão, sublinha-se que as principais questões e recomendações expostas neste

item 5.2, resultantes de um processo de pesquisa, divulgação e discussão de sucessos e deficiências

entre investigadores, fornecedores e empresas aplicadoras, possam contribuir para o estabelecimento,

em termos de qualidade e segurança, dos princípios de planeamento de um projecto de reforço com

sistemas de FRP.

5.3 – CASO DE APLICAÇÃO - REFORÇO DA PONTE DE “NOSSA SENHORA DA GUIA”

Esta nova técnica de reforço de estruturas por colagem externa de sistemas FRP tem sido

estudada no DECivil da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto e um conjunto alargado

de ensaios de reforço de elementos estruturais de betão com sistemas de CFRP têm sido realizados no

Laboratório de Estruturas com vista à exploração e validação desta técnica de reforço. Com o apoio

da Fundação para a Ciência e Tecnologia e do Instituto de Estradas de Portugal a aplicação desta

técnica ao reforço de pontes tem sido explorada. O caso aqui tratado é o do reforço da laje superior do

tabuleiro da Ponte de “Nossa Senhora da Guia” em Ponte de Lima.

5.3.1 - Introdução

No âmbito do projecto de I&D "Reforço de Pontes com Compósitos Avançados - Carboponte"

tendo por parceiros para além da FEUP, o IEP, INEGI, LNEC e STAP foi estudada e efectuada uma

experiência piloto com vista à aplicação de sistemas CFRP ao reforço da laje superior do tabuleiro da

ponte de Nossa Senhora da Guia em Ponte de Lima.

Trata-se de uma ponte em betão armado pré-esforçado com cinco tramos e comprimento total

de 250 metros (ver Figura 5.24). O tabuleiro com cerca de 12 metros de largura é constituído por um

caixão bicelular de altura variável (ver Figura 5.26).

A ponte, construída à cerca de 20 anos, apresenta no interior do caixão uma extensa fendilhação

longitudinal localizada na face inferior da laje do tabuleiro (ver Figura 5.25). Esta fendilhação,

que é reportada ter sido detectada pouco tempo após a entrada em funcionamento da ponte,

corresponde a fendas afastadas entre si de 25 a 30cm e com aberturas entre 0.2 e 0.5mm.


Figura 5.24 - Vista da Ponte de N. S.

da Guia - Ponte de Lima. Figura 5.25 - Aspecto geral da fendilhação

longitudinal na face inferior da laje do tabuleiro (vista do interior do caixão).

Prospectando a armadura indicada no projecto e que se verificou corresponder à armadura

colocada na obra, salienta-se a armadura inferior, para resistir aos momentos positivos da laje, de

varões de 10mm de diâmetro com afastamento de 20 centímetros (φ10//0.20) (ver Figura 5.26).

Figura 5.26 - Desenho do projecto - armadura ordinária na secção corrente do caixão.

O aço colocado é da classe A400, correspondendo essa armadura a um momento resistente de

cálculo de aproximadamente,

m/m.kN2217.095.08.3493.3zfAm sydsRd =×××=⋅⋅≅ [Eq-5.4]

5.3.2 - Análise da Laje Superior do Tabuleiro

A ponte foi analisada para as várias acções intervenientes tendo sido estudada com mais

pormenor a acção dos rodados do veículo tipo sobre a laje do tabuleiro. Na figura 5.27 estão


ilustrados alguns dos diagramas do momento flector transversal na laje superior do tabuleiro para a

acção de base veículo tipo. A combinação 1 refere-se a uma posição central do veículo tipo e as

combinações 2 e 3 correspondem à colocação dos rodados mais à esquerda e à direita

respectivamente. As combinações 4, 5 e 6 referem-se respectivamente às combinações 1, 2 e 3 com a

adição da sobrecarga nos passeios (Oliveira et al., 1999).

Momento flector segundo xx

69,866

-43,496

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

0,06 1,06 2,06 3,06 4,06 5,06

Distâncias (m)

Mom

ento

flec

tor (

kN.m

/m)

comb.1

comb.2

comb.3

comb.4

comb.5

comb.6

Figura 5.27 - Diagramas de momentos flectores de cálculo na laje para diferentes posições do veículo tipo

Verifica-se assim que de acordo com o preconizado no RSAEEP o momento flector actuante de

cálculo a meio vão da laje é de 44 kN.m/m, isto é, é duplo do correspondente momento flector

resistente de cálculo. De referir ainda que o momento actuante para combinações raras de acções é de

30 kN.m/m, só por si superior à capacidade resistente garantida pelas armaduras inferiores. É de notar

que as variações diferenciais de temperatura, com especial relevo para as iniciais resultantes da

deposição do betão betuminoso, vêm ainda agravar estes esforços transversais da laje.

Da análise efectuada conclui-se ser necessário duplicar a capacidade resistente à flexão da laje

para momentos positivos. A armadura colocada para resistir aos momentos negativos transversais

verifica-se ser suficiente.

Ensaios 'in situ'

Foram efectuados diversos ensaios não destrutivos ou ligeiramente intrusivos sobre o tabuleiro

da ponte para indagar sobre a classe de betão (esclerómetro), a armadura colocada em obra (diâmetros

e recobrimentos), a profundidade e abertura das fendas, e sobre a resistência à tracção superficial do

betão (ensaios de pull-off) (OZ STAP, 1998). Sobre este último aspecto apresenta-se no Tabela 5.2 os

resultados dos ensaios de arrancamento utilizando pastilhas de 50mm de diâmetro coladas à

superfície do betão efectuando ou não o pré-caroteamento.


Tabela 5.2 - Resultados dos ensaios de arrancamento efectuados sobre a laje do tabuleiro.

Critério Tensão Média (MPa) DP (MPa) Cv (%)

Todas as zonas 2.72 0.86 0.32

Zona 2 2.68 1.15 0.43

Zona 3 2.73 0.83 0.30

Zona 5 2.74 0.85 0.31

Com pré-carregamento 2.07 0.24 0.11

Sem pré-carregamento 3.20 0.84 0.26

Foram ainda efectuados ensaios de carga com o objectivo de avaliar as flechas e o acréscimo na

abertura de fendas devido à passagem do camião de ensaio (Oliveira et al., 1999).. Foi utilizado um

veículo de 2 eixos com uma distância entre eixos de 5.2 metros e com um peso de 127 kN no eixo

traseiro e 67 kN no eixo dianteiro.

Foi possível observar a actividade das fendas que apresentaram um acréscimo da sua abertura

em 10 a 20% da abertura inicial durante a passagem do veículo.

5.3.3 - Ensaios de comprovação laboratorial

Para testar a eficiência da nova técnica de reforço por colagem externa de CFRP, aplicada a este

caso concreto, foram construídas e ensaiadas em laboratório um conjunto de faixas de laje a uma

escala reduzida de aproximadamente 1:2.5 (Juvandes, 1999; Juvandes et al, 1998; Dias,2001).

Foram construídas duas séries de lajes de betão armado de cerca de 8 centímetros de espessura,

44cm de largura e 180cm de comprimento em micro-betão com resistência média à compressão aos

28 dias de 52 MPa. Nas faixas de laje da primeira série a armadura de flexão era constituída por 3

varões de 6mm de diâmetro (3φ6) de aço A500 (fsy = 635 MPa, fsu = 685 MPa), que corresponde a

uma percentagem de armadura equivalente à percentagem de armadura de flexão instalada na laje do

tabuleiro em análise (ρ ≅ 0.25%). Na segunda série de faixas de laje foi colocada uma armadura dupla

da utilizada na primeira série, isto é, 6φ6 que corresponderia em termos de percentagem à armadura

que deveria ter sido colocada na laje da ponte (dupla da existente). O reforço com dois sistemas

diferentes de CFRP foi então aplicado (L - laminados e M - mantas) às faixas de laje da primeira série


de forma a obter uma capacidade resistente aproximadamente dupla daquela fornecida pela armadura.

Na Figura 5.28 estão representadas de forma esquemática os 3 tipos de faixas de lajes ensaiadas.

1,80mFrente

1234567

0,45

m- localização dos LVDT´S

TraseiraPLANTA - FACE SUPERIOR

0,22

5m

LVDT 8 e 9

0.

16 m

0.07

00,

070

CFRP - faixa 1

b (2ª camada)

Série M (tipo de reforço: 1 e 2)

Traseira

APO

IO

Frente

b = 0.0751

b = 0.0751

0.1425 1.50m 0.1425

LVDT 8 e 9

CFRP - faixa 2

7 6 4 3 2 1

b (2ª camada)

2

2

b (1ª camada)1

b (1ª camada)1

0.45

m 5

0.21

25m

(0.2

225)

APO

IO

0.21

4 m

0.016

0.10

2

0.1425 1.50m 0.1425

CFRP - faixa 1

CFRP - faixa 2

7 6

0.21

9m

5 4 3 2 1

Série L (tipo de reforço: 3, 4 e 5)

0.016

0.10

2

Traseira

Frente

0.45

m

LVDT 8 e 9

(0.2

2)

APO

IO

APO

IO

0,06 0,24 0,24 0,24 0,24m 0,24 0,24 0,24 0,06

0,08

m

0,01

6 6 (lajes LB3N, LB4N)3 6 (restantes)

3 3 3

ARMADURA

0,01

Série MIN

0,05 0,175m 0,1753 3

3 6

0,01

0,01

3//0,24

0,05

0,08

m

Série N

0,05 0,073 3

6 6

0,01

0,01

3//0,24

0,05

0,08

m

0,07 0,07m 0,07 0,07

0.0703 3

3 6

0.01

0.01

0.08

m

3//0.24

0.075 0.075 0.0700.16 m

0.065 0.065

b1 b1

b2b2

Série M

Série L

0.102

0.016

3 3

3 6

0.01

0.01

0.08

m

3//0.24

0.1020.214 m

0.016

Figura 5.28 - Informações sobre os 3 tipos de faixas de laje ensaiadas.

As faixas de laje foram instrumentadas (medição de deslocamentos e extensões) e ensaiadas à

flexão em 4 pontos como se apresenta na Figura 5.29. A Figura 5.30 ilustra o modo de rotura da laje


com armadura "normal" (série N com 6φ6) que ocorreu por rotura dos varões de 6 milímetros após

um patamar de deformação sob carga constante.

A Figura 5.31 ilustra um dos modos de rotura das lajes reforçadas com manta (série M) que

ocorreu por rotura (em alguns casos por deslocamento) do sistema CFRP após plastificação da

armadura e para flechas significativas. Na Figura 5.32 apresenta-se o momento da rotura de uma das

lajes reforçadas com laminado (série L), em cuja série a rotura ocorreu sempre por descolamento do

reforço após deformação significativa da faixa de laje.

Os resultados dos ensaios efectuados para as 3 séries estão comparados na Figura 5.33 onde se

ilustra os diagramas de carga vs flecha central correspondentes à média de pelo menos dois ensaios de

cada tipo. Compara-se o comportamento de faixas com a armadura mínima (ρ = 0,25% - 3φ6) com o

comportamento de faixas da série N (6φ6) e faixas reforçadas com CFRP (séries L e M). Verifica-se

que os objectivos preconizados para o reforço foram alcançados com as lajes reforçadas por colagem

de compósitos, apresentando rigidez ligeiramente inferior e capacidade resistente superior quando

comparadas com as lajes da série N. Houve um compromisso assumido entre resistência e rigidez.

células de carga

7 LVDTs

LB3N

2 LVDT’s

1234

8

9

567

Secção decolapso

LB3N

Figura 5.29 - Aspecto geral do ensaio das lajes. Figura 5.30 - Ilustração do modo de rotura das

lajes da série N (6φ6).

LC4R

Ruína doCFRP

LC1S

CFRP faixa 2

CFRP faixa 1

Figura 5.31 - Ilustração do modo de rotura das

lajes da série M (reforço com mantas). Figura 5.32 - Ilustração do modo de rotura das

lajes da série L (reforço com laminados).


0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 5 10 15 20 25 30 35 40Deslocamento central (mm)

Car

ga to

tal (

kN)

Série N Série R Série S Arm Min

Figura 5.33 - Diagramas carga total vs deslocamento central do comportamento médio experimental das séries, N, M e L e da série com armadura mínima.

5.3.4 - Reforço experimental

Foi então proposto e executado um reforço experimental sobre a laje superior do tabuleiro da

ponte N.S. da Guia (ver esquema da Figura 5.34).

Quatro empresas nacionais associaram-se ao projecto (Bettor MBT, INEGI, SIKA e STAP),

efectuando localmente o reforço de uma faixa de cerca de um metro de largura com um dos sistemas

CFRP que comercializavam (Figura 5.35). Foi localmente aplicado um sistema de carga para anular a

flecha residual e para refechamento das fendas durante a colagem (Figura 5.36 e 5.37). O reforço foi

então executado (ver Figura 5.38 e 5.39) tendo de seguida sido instrumentado estando em curso

alguns ensaios que permitam aferir da sua eficiência e durabilidade.

4 .01 .51 .51 .51.5

PIL AR P3PILAR P4

E. M. E.

BRAGA

2 TRAMO - LADO PONTE DE LIMACÉLULA DE MONTANTE

Pormenor A

4.01.51.5 1.5 1.5

PILAR P3

Pormenor ABETTOR SIKA STAP (INEGI)

1.000.25

0.50 0.501.00 0.501.00 1.000.25

(a) (a) (a) (a)

(a) Faixas a reforçar

Figura 5.34 - Representação esquemática do reforço a efectuar.

Figura 5.35 - Localização e largura das faixas a reforçar experimentalmente.

Série M Série L


2 UN P24 0

2 UNP100

ESQUEMA PARA O REFECHAMENTO DAS FENDAS DURANTE A COLAGEM

Figura 5.36 - Esquema utilizado para refechamento das fendas.

Figura 5.37- Aspecto da aplicação do sistema de relevamento.

Figura 5.38 - Vista do interior do caixão durante o reforço experimental.

Figura 5.39 - Aspecto da colocação do sistema curado in situ (mantas).

5.3.5 - Conclusão

Foram apresentados estudos e ensaios efectuados pelo Laboratório de Estruturas da FEUP sobre

o desenvolvimento e a aplicação da nova técnica de reforço de estruturas por colagem externa de

sistemas FRP. Verificou-se que esta técnica emergente tem excelentes potencialidades para ser

aplicada no reforço de estruturas de betão. Apresentou-se ainda um conjunto de análises e de ensaios

efectuados com vista à aplicação sustentada deste tipo de reforço no caso concreto da ponte de N.S.

da Guia em Ponte de Lima.

5.3.6 - Agradecimentos

Agradece-se a contribuição para a realização deste trabalho dos parceiros do projecto

Carboponte (IEP, INEGI, LNEC e STAP) e das empresas que apoiaram a realização do reforço

experimental (Bettor MBT, SIKA, STAP, INEGI e DIWIDAG): Agradece-se ainda o apoio do

projecto Sapiens POCTI/36059/ECM/2000 aprovado pela FCT e pelo POCTI, comparticipado pelo

FEDER.

Capítulo 6 Referências

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6.2 Referências

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Capítulo 5 - FEUPcivil.fe.up.pt/pub/apoio/Mestr_Estr/NovosMateriais... · 2003. 3. 31. · 5.2 Planeamento de um Projecto de Reforç o dos seus sucessos e deficiências, em benefício